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! +&! I. La chirurgie assistée par ordinateur en chirurgie maxillo-faciale
Jusque récemment, les seules représentations tridimensionnelles de déformations cranio-faciales appartenaient à des collections de crâne, permettant d’illustrer et d’étudier des anomalies anatomiques spécifiques (Figure 53). La possibilité de générer des modèles 3D de patients à partir de scanners a été mentionnée pour la première fois en 198053 et la réalisation du premier modèle craniofacial a été reportée en 1987. En quelques années, les techniques d’impression 3D sont devenues de plus en plus fiables et précises, devenant un outil de choix pour les chirurgiens dans le cadre de la planification et de la réalisation d’interventions craniomaxillofaciales complexes54,55.
A. Impression 3D
L’impression 3D, ou impression tridimensionnelle, correspond aux procédés de fabrication de pièces en volume par ajout ou agglomération de matière. Dans le langage industriel, le terme fabrication additive (Additive Manufacturing (AM) pour les Anglo- Saxons) lui est préféré.
L'impression 3D permet de créer un objet ou de reproduire un modèle existant. Ainsi,
dans les cas de conceptions d’objets, un concepteur va dessiner l'objet 3D grâce à un outil de
Conception Assistée par Ordinateur (CAO) afin d’obtenir un fichier 3D. De même, si on
considère comme « modèle existant » un patient, une imagerie tridimensionnelle (TDM,
CBCT ou IRM) va suffire pour obtenir un fichier 3D. Le fichier 3D obtenu est traité par un
logiciel spécifique qui organise le découpage en tranches des différentes couches nécessaires
à la réalisation de la pièce. Le logiciel permet de traiter les images en « positif du modèle »
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Figure 54 : Fabrication additive par stéréolithographie (SLA). D’après a3dm-magazine.fr.
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du modèle » (« negative-space models ») qui correspondent à l’espace adjacent aux structures
osseuses.
Le découpage est ensuite envoyé à l'imprimante 3D qui dépose ou solidifie la matière couche
par couche jusqu'à obtenir la pièce finale. Le principe reste proche de celui d'une imprimante
2D classique à cette grande différence près : c'est l'empilement des couches qui crée le
volume.
L’impression 3D regroupe l’ensemble des processus d'assemblage de matériaux ayant
pour but de fabriquer des objets à partir des données du modèle 3D, le plus souvent couche
après couche, par opposition aux méthodes de fabrication soustractives (fraisage ou tournage).
Il existe 7 familles principales d’impression 3D en fonction du procédé industriel utilisé que
nous détaillerons de façon non exhaustive.
Photopolymérisation (StéréoLithography Apparatus, SLA)
L’impression 3D a été décrite pour la première fois dans les années 1980 par l’introduction de la technique de stéréolithographie, consistant en la génération de prototypes par la superposition/polymérisation de résine56.
La stéréolithographie est une technique dite de prototypage rapide, permettant de fabriquer des objets solides à partir d’un modèle numérique. L’objet est obtenu par superposition de tranches fines de matière à partir du scanner du patient. Le scanner (en 3D) est découpé en tranches (2D) d’épaisseur fixe choisie par l’opérateur, déterminant la résolution de la restitution. Ce paramètre détermine ainsi la précision du modèle qui va être produit. La stéréolithographie permet d’obtenir un modèle 3D par balayage laser et polymérisation de couches successives 2D d’un bac rempli de résine (Figure 54). C’est l’une des techniques d’impression tridimensionnelle la plus couramment utilisée dans le domaine médical (Figure 55).
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Figure 56 : Fabrication additive par SLS. L’imprimante 3D SLS est composée d'une chambre de construction avec une plate-forme mobile, entourée à gauche et à droite par deux pistons fournissant la poudre, d'un puissant laser, et d'un rouleau pour étaler la poudre. Avant l'impression, la plate- forme de fabrication est remontée au maximum tandis que les pistons fournissant la poudre sont à leur point le plus bas. Le rouleau étale la poudre en une couche uniforme sur toute la chambre. Le laser trace alors la section 2D sur la surface de la poudre, la frittant ainsi. La plate-forme de fabrication descend de l'épaisseur d'une strate tandis qu'un des pistons d'approvisionnement en poudre monte. Une nouvelle couche de poudre est étalée sur toute la surface par le rouleau, et le processus se répète jusqu'à ce que la pièce soit terminée. D’après a3dm-magazine.fr.
Figure 57 : Fabrication additive par projection de liant. Un rouleau dépose une fine couche de poudre. Le liant est ensuite déposé selon la pièce à imprimer à l’aide d’une buse. Le plateau descend ensuite de quelques millimètres pour la création d’une nouvelle couche. Une fois l’impression finie, la pièce est recouverte de poudre.D’après a3dm-magazine.fr.
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Fusion sur lit de poudre (Selective Laser Sintering, SLS et Selective Laser Melting, SLM)
Cette technique reprend le procédé de stéréolithographie, à la différence que ce n’est
pas un photopolymère liquide (résine) qui est utilisé mais une poudre. La solidification de la
poudre va être réalisée par un laser qui va l’agglomérer aux couches précédentes par frittage
(fusion sélective des grains de cette poudre). Une nouvelle couche de poudre va ensuite être
étalée et subir le même procédé, jusqu’à obtention du modèle final. La SLS et la SLM
permettent d’obtenir un modèle 3D par balayage laser et frittage sélectif de couches
successives 2D d’un bac rempli de poudre fine (Figure 56). Le frittage sélectif par laser (SLS)
a longtemps été utilisé pour décrire le procédé appliqué à une variété de matériaux différents
(métaux, matières plastiques, verre …), mais il est aujourd’hui employé spécifiquement pour
le frittage par laser de matières plastiques.
Projection de liant
La projection de liant permet d’obtenir un modèle en déposant un liant adhésif sur un
substrat de type poudre. La projection de liant permet d’obtenir un modèle 3D en alternant des
couches successives poudre-liant-poudre (Figure 57).
Extrusion de matériaux (Fused Deposition Modeling, FDM)
Cette technique consiste à faire fondre une résine à travers une buse chauffée à haute
température afin d’obtenir de la matière en fusion sous forme de filament (Figure 58). Le
filament en fusion qui émerge de la buse va alors être déposé en ligne et se refusionner avec la
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Figure 58 : Fabrication additive par FDM. L’imprimante déroule un filament de plastique et le chauffe à haute température via une buse (extrudeur ou tête d'extrusion) pour ensuite le déposer en couches successives aux endroits prévus par le plan 3D. D’après a3dm-magazine.fr.
Figure 59 : Fabrication additive par laminage de feuilles (LOM). Cette technique consiste à ajouter couche par couche un papier thermocollant découpé par un laser ou une lame. Entre chaque découpage, le plateau descend et une nouvelle feuille adhésive est déroulée. Un rouleau exerce alors une pression afin de la faire adhérer à la surface. Ces étapes sont répétées jusqu'à l’obtention de la pièce 3D. D’après a3dm-magazine.fr.
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Projection de matière
Cette technique d’impression tridimensionnelle reprend le procédé comparable à une
imprimante classique, à la différence que ce n’est pas de l’encre qui est projetée mais de la
matière, afin de permettre l’élaboration du modèle. Des matériaux (photopolymère, cire,
métal) se solidifiant à la chaleur ou se photopolymérisant sont utilisés. Ainsi, l’impression 3D
par projection de matière permet la construction d’un objet par dépôt mécanique de matière en
couches successives.
Laminage de feuille (Laminated Object Manufacturing , LOM)
Cette technique d’impression 3D consiste à superposer des feuilles de matériau
préalablement découpées selon la forme axiale du modèle. La LOM permet d’obtenir un
modèle 3D à partir de superposition de plusieurs couches de feuilles (Figure 59).
Dépôt sous énergie concentrée (Directed Energy Deposition, DED)
Cette technique d’impression 3D permet la production, par couches successives, de pièces en métal, en polymère ou encore en céramique. Dans ce procédé, une énergie thermique focalisée est utilisée pour fusionner des matériaux en les fondant au fur et à mesure qu'ils sont déposés.
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Figure 60 : Les 4 types d’applications de l’impression 3D en chirurgie cranio-maxillo-faciale. Les modèles stéréolithographiques (A), les guides de coupe (B), les gouttières (C) et les implants sur mesure (D). D’après Jacobs55.
Figure 61 : Les différentes étapes de la procédure A3 réalisées sur des répliques de crâne hypertélorique, à visée didactique. Collection Tessier38.
A B
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B. Technologies se basant sur l’impression 3D utilisées en chirurgie maxillo-faciale
De nos jours, quatre types d’applications de l’impression 3D sont utilisées en chirurgie craniomaxillofaciale afin de réaliser une chirurgie sur mesure, la plus adaptée à chaque patient : la production de modèles 3D permettant la conformation de plaques et de vis sur le modèle par technique de « contouring » ou par usinage, les guides de coupes chirurgicaux, les gouttières et les implants (Figure 60).
Nous détaillerons les parties portant sur les modèles stéréolithographiques ainsi que sur les guides de coupes chirurgicaux qui sont utilisés dans notre service. Les parties portant sur les gouttières et les implants seront abordées mais moins développées.
1) Modèles stéréolithographiques et techniques de « contouring »
Les modèles stéréolithographiques constituent une réplique tridimensionnelle précise et fiable de structures anatomiques complexes57–59. Ainsi, ils permettent au chirurgien une visualisation précise et sûre de l’anatomie cranio-maxillo-faciale du patient avant de l’opérer. Afin de s’assurer d’un résultat post-opératoire optimal, l’intervention chirurgicale peut être simulée sur le modèle stéréolithographique. Les modèles 3D représentent aussi un formidable outil à visée pédagogique pour les patients ou les étudiants (Figure 61).
La modélisation stéréolithographique ainsi que la conformation de plaque par contouring sur modèle physique ou virtuel ont été utilisées en chirurgie maxillo-faciale dans de nombreuses indications de la fin des années 90 jusqu’à nos jours.
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Figure 62 : Modèles stéréolithographiques d’une trigonocéphalie, en pré-opératoire (A) et après planification virtuelle (B). D’après Van Nunen60.
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Utilisation des modéles stéréolithographiques
Les modèles stéréolithographiques ont été utilisés dans de nombreux domaines de la chirurgie craniomaxillofaciale (Figure 62). Pour certaines équipes, ils permettaient la planification pré-opératoire de chirurgie orthognathique61–64, de traumatismes craniomaxillofaciaux65–67, de corrections de déformations craniomaxillofaciales complexes54,60,68,69, et de reconstructions craniofaciales après exérèse tumorale (mandibulaires70,71, maxillaires72,73et orbitaire73) directement sur le modèle.
Ces modèles permettaient d’affiner le diagnostic de la déformation et de planifier l’intervention chirurgicale à venir. L’intérêt majeur de ces stéréolithographies était qu’elles permettaient d’obtenir une représentation physique précise de l’anatomie du patient, manipulable par le chirurgien en pré-opératoire (mais également durant le geste chirurgical), lui rendant également possible la simulation de l’intervention sur un prototype conforme à l’anatomie du patient.
Initialement les modèles stéréolithographiques n’offraient qu’une vision contemplative de l’anatomie du patient, puis les chirurgiens se sont essayés à la simulation de l’intervention en réalisant des ostéotomies sur les modèles stéréolithographiques. Depuis l’avènement de la simulation chirurgicale 3D virtuelle, directement sur un logiciel, ces modèles stéréolithographiques sont cependant de moins en moins utilisés. Effectivement, les modèles stéréolithographiques onéreux ne permettent de simuler qu’une fois la chirurgie, sans possibilité de retour à l’état antérieur ou de modification des traits d’ostéotomie, ce qui représente une limite majeure à leur utilisation. Le nombre croissant d’applications interactives de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) permettent une planification virtuelle de l’intervention, et rendent possible au chirurgien de simuler plusieurs techniques, en sélectionnant, modifiant et déplaçant les différentes structures osseuses vues dans tous les sens de l’espace.
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Figure 63 : Reconstruction orbitaire gauche assistée par ordinateur. D’après Park74 A. Scanner 3D pré-opératoire : fracture comminutive orbito-zygomatique gauche.
B. Technique de « mirroring » permettant de recréer virtuellement l’orbite gauche du patient à partir des images de l’orbite droite.
C. Impression 3D du modèle stéréolithographique cranio-facial crée virtuellement par technique de « mirroring ».
D. Utilisation per-opératoire du modèle stéréolithographique. La grille en titane a été galbée avant l’intervention puis stérilisée avec le modèle.
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Techniques de « contouring » sur modèles stéréolithographiques physiques ou virtuels permettant la conformation de matériel pré-opératoire
Ce n’est que quelques années plus tard, une fois le perfectionnement des techniques d’impression 3D et l’avènement du matériel d’ostéosynthèse, que la stéréolithographie a permis de réaliser du matériel d’ostéosynthèse (plaques, vis) adapté à l’anatomie du patient. Au début, c’était le chirurgien qui conformait le matériel d’ostéosynthèse ou un biomatériau directement sur le modèle stéréolithographique (Figure 63). Les matériaux utilisés pour la réalisation des modèles stéréolithographiques résistent à plusieurs cycles d’autoclave, permettant la conformation pré-opératoire du matériel d’ostéosynthèse qui sera stérilisé pour l’intervention définitive75.
Par la suite, avec le développement de logiciels de plus en plus performants, le matériel d’ostéosynthèse sur mesure pouvait être directement produit par l’ingénieur, sans nécessairement utiliser un modèle stéréolithographique physique. Ainsi, le matériel d’ostéosynthèse est conçu virtuellement et directement produit par impression 3D (SLM) à partir des fichiers STL du patient.
Ainsi, la technique de stéréolithographie a permis d’obtenir des plaques qui épousent parfaitement l’anatomie du patient, tout en entrainant un gain de temps notable pour la chirurgie ultérieure. Effectivement, il est plus simple de conformer une plaque en pré- opératoire, sur modèle stéréolithographique ou virtuellement, plutôt que sur le patient, les structures pouvant être obstruées par les parties molles ou par un saignement en peropératoire.
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Figure 64 : Conformation manuelle pré-opératoire d’une atelle de reconstruction en titane dans un contexte de reconstruction mandibulaire par lambeau libre de fibula. D’après Azuma76
A. Conformation manuelle de la plaque de reconstruction mandibulaire
B. La plaque de reconstruction épouse parfaitement le relief mandibulaire sur le modèle stéréolithographique 3D
! ((! La conformation pré-opératoire de biomatériaux grâce à des modèles stéréolithographiques a été décrite dans plusieurs domaines de la chirurgie maxillo-faciale.
La reconstruction mandibulaire après résection tumorale, ou secondaire à la prise en charge de séquelles d’ostéoradionécrose, représente un pan majeur de la chirurgie maxillo- faciale. Effectivement, la reconstruction mandibulaire doit à la fois assurer une fonctionnalité optimale de l’appareil manducateur (prise alimentaire, ouverture de bouche), tout en étant esthétiquement acceptable. Elle est assurée par tout un arsenal thérapeutique77 allant du prélèvement de greffons osseux libres (greffe de crête iliaque ou de côte78), de greffons ostéomusculaires pédiculés (lambeau de grand pectoral et costal pédiculé79), de lambeaux libres microvascularisés (lambeau de fibula80, de scapula81, de crête iliaque) à l’usage de plaques de reconstruction ou de grilles en titane comblées avec de l’os spongieux (Particulate Bone Cancellous Marrow grafts, PBCM grafts)82 , permettant de reconstituer une anatomie optimale tout en préservant la fonction.
La mandibule est une structure tridimensionnelle complexe, et toute aberration structurelle lors de sa reconstruction mène à des dysfonctions liée à des troubles occlusaux. Afin d’éviter ces écueils, la Conception Assistée par Ordinateur (CAO) s’est récemment développée dans ce domaine. De nombreuses équipes utilisent la CAO dans cette indication pour la conformation de biomatériaux, afin d’améliorer les résultats post-opératoires et de diminuer le temps opératoire70,75,76,83–88. Après reconstruction de la perte de substance mandibulaire par technique de « mirroring », certaines équipes conforment la plaque de reconstruction en titane sur un modèle stéréolithographique en pré-opératoire (Figure 64), permettant le maintien d’un lambeau libre de fibula microvascularisé76,83,84.
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Figure 65 : Reconstruction de perte de substance fronto-nasale par une grille de titane, galbée avant l’intervention chirurgicale grâce à l’impression 3D d’un modèle stéréolithographique, (A) et fixée aux os frontal et maxillaire à l’aide de vis en titane (B). Pour la reconstruction des parties molles, un lambeau de Converse a été réalisé (C, D). D’après Horn89.
Figure 66 : Grille en titane pré-galbée sur modèle stéréolithographique dans un contexte de fracture du plancher orbitaire avec défect osseux important. D’après Lim90.
! $,$! La même stratégie est utilisée par Cohen et al. pour conformer une plaque de reconstruction permettant le maintien d’un greffon iliaque85 et par Yamada et al. pour plicaturer une grille à maille en titane contenant de l’os spongieux prélevé en crête iliaque (PBCM graft)86.
La conformation pré-opératoire de biomatériaux suivant cette même procédure technologique a également été utilisée dans le cadre de reconstructions de pertes de substance maxillaire91,92 et nasale89 (Figure 65).
Les techniques de « contouring » sur modèles tridimensionnels physiques ou virtuels ont également permis la conformation pré-opératoire de biomatériaux utilisés en traumatologie maxillo-faciale.
Dans les cas de reconstruction orbitaire, l’impression 3D assure une représentation précise et fiable du défect osseux, tout en rendant possible une conformation pré-opératoire du biomatériau qui sera utilisé pendant l’intervention. Ceci a pour but de réduire le temps opératoire, le risque de malposition du biomatériau et de traumatisme des tissus mous lié à des insertions-retraits itératifs lors de sa conformation. Par ailleurs, la conformation pré-opératoire assure de combler le défect osseux grâce à un appui stable du biomatériau. Pour les reconstructions orbitaires, certaines équipes conforment directement leur plaque en titane sur un modèle stéréolithographique 3D de l’orbite90 (Figure 66). D’autres équipes utilisent la technique de « mirroring », permettant la création d’un modèle stéréolithographique de l’orbite traumatique à partir de l’orbite saine controlatérale, sur lequel ils conforment leur biomatériau74,93. Certains biomatériaux peuvent également être directement conçus et imprimés à partir d’un logiciel93 pour reconstruire l’orbite traumatique.
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Figure 67 : Modèle stéréolithographique 3D d’un patient présentant des fractures du zygoma, du maxillaire et naso-ethmoïdales. D’après Kermer65.
A. Visualisation des traits de fracture.
B. Simulation chirurgicale : réduction des fragments et ostéosynthèse par mini-plaques et micro- plaques en titane, qui sont conformées avant l’intervention.
! $,'! De même, en cas de traumatisme craniomaxillofacial complexe, la conformation du matériel d’ostéosynthèse pouvait être réalisée directement sur les modèles stéréolithographiques avant l’intervention65 (Figure 67). En plus de permettre la visualisation directe des traits de fractures et du degré de déplacement des fragments osseux, cela facilitait la réduction anatomique des fractures, minimisait les voies d’abord chirurgicales tout en diminuant le temps opératoire et améliorait les résultats post-opératoires, réduisant ainsi le nombre de corrections chirurgicales secondaires.
Cependant, en traumatologie cranio-maxillo-faciale, la nécessité d’une prise en charge chirurgicale rapide demeure l’une des limites majeures de l’utilisation de cette technologie, en plus de son coût important. Effectivement, seuls les traumatismes nécessitant une prise en charge chirurgicale différée (diminution de l’œdème facial ou cérébral, pronostic neurologique incertain) peuvent être candidats à l’utilisation de cette technique.
De nos jours, l’impression de modèles stéréolithographiques physiques est rarement réalisée du fait d’un coût élevé par rapport à leur utilité réduite. Les logiciels de simulation chirurgicale sont très performants et permettent aux chirurgiens de simuler plusieurs types d’ostéotomies, ce que le modèle physique ne permet pas ; une fois les ostéotomies réalisées, aucun retour en arrière n’est possible. Les modèles stéréolithographiques physiques semblent d’autant plus désuets que la conformation des biomatériaux se fait par usinage direct et non plus sur les modèles.
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Figure 68 : Planification pré-opératoire d’un rapprochement orbitaire et d’une reconstruction frontale dans le cadre d’un hypertélorisme orbitaire secondaire à une fente Tessier 1 – 13. Materialise.
A. Anatomie originale. Les ostéotomies et les zones de résection osseuse sont en rouge.
B. Anatomie post-opératoire simulée après rapprochement orbitaire et reconstruction frontale.
C. Anatomie originale. Positionnement des guides de coupes et de pré-forage. Les guides de coupe en polyamide sont en blanc, les guides de coupes en titane en bleu, violet et jaune. Les ostéotomies et les zones de résection osseuse sont en rouge.
D. Anatomie post-opératoire simulée après rapprochement orbitaire et reconstruction frontale. Les plaques d’ostéosynthèse préformées permettent un positionnement précis des cadres orbitaires en per- opératoire. Le guide de repositionnement apparaissant en blanc permet de guider le positionnement du néo volet frontal par rapport à l’os frontal et aux orbites.
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2) Guides de coupe chirurgicaux et guides de repositionnement
La Conception Assistée par Ordinateur et la Fabrication Assistée par Ordinateur (CAO/FAO) permettent la création d’outils chirurgicaux sur mesure, tels des guides de coupe et des guides de repositionnement. Les guides de coupes permettent de reproduire le site d’ostéosynthèse prédéterminé virtuellement. La fixation du guide de coupe sur l’os à ostéotomiser est assurée par des vis de fixation. Dans le cas d’une ostéosynthèse, l’emplacement des vis est inséré dans le guide de coupe.
Les guides de coupe chirurgicaux permettent une réalisation précise des ostéotomies et des trous de forage nécessaires au bon positionnement du matériel d’ostéosynthèse (Figure
68C). Effectivement, les guides de coupe sont conçus sur mesure, et épousent parfaitement la
zone d’intérêt où les ostéotomies et pré-forages doivent être réalisés. Ils ne s’adaptent d’ailleurs qu’à cette zone, permettant d’éviter toute erreur de positionnement du guide de